Способ и волоконный чувствительный элемент для определения тепловых характеристик веществ (жидкостей и газов) Российский патент 2023 года по МПК G02B5/18 

Настоящие изобретения относятся к измерительным волоконно-оптическим технологиям, в частности, к области определения тепловых характеристик веществ (жидкостей и газов).

Известен способ для измерения теплофизических свойств газов, жидкостей и твердых тел и устройство для его осуществления [US4621929A, G01N 25/20, 11.11.1986]. Устройство для измерения теплофизических свойств газов, жидкостей и твердых тел, осуществляющее указанный способ, выполнено в полностью волоконном исполнении. Чувствительный элемент состоит из оптического волокна, на торец которого нанесен абсорбционный (поглощающий) фильтр, далее на этот фильтр нанесен слой люминофора и далее дополнительный отражающий слой. Способ измерения основан на том, что в результате воздействия излучения накачки на поглощающий фильтр происходит его нагрев, что влечет за собой нагрев люминофора и возбуждает его излучение, которое в обратном направлении распространяется по волокну к детектору. При изменении состава вещества изменяется и температура нагрева, что влияет на спектр излучения люминофора, таким образом, продемонстрирована возможность измерения теплопроводности.

Недостаток данной работы заключается в том, что, по указанию самих авторов, способ может быть применим для измерения теплопроводности и температуры для образцов с малой теплоемкостью.

Известен интерферометрический способ определения теплопроводности [B.J. White, J.P. Davis, L.C. Bobb, D.C. Larson, An Optical Fiber Thermal Conductivity Sensor, Presented at the Optical Fiber Sensors, 1988] и устройство для его осуществления. Устройство представляет собой изготовленный из двух сплавных ответвителей интерферометр Маха-Цендера. В измерительном плече такого волоконного интерферометра короткий участок оптического волокна покрыт проводящим покрытием (в работе используется золото). Свет от гелий-неонового лазера фокусировался на сердцевине входного волокна и детектировался фотодиодом на выходе. Способ определения заключается в том, что к участку волокна с золотым покрытием прикладывалось напряжение, которое резистивно нагревало его проходящим в токопроводящем покрытии током. Такой нагрев приводил к изменению показателя преломления сердцевины и термическому расширению, в результате чего возникало смещение интерференционной картины на выходе интерферометра. Таким образом, способ измерения заключался в том, что смещение интерференционной картины связано с температурным изменением, а теплопроводность определялась по скорости изменения температуры. Недостатком данных решений являлось использование внешнего резистивного нагрева, таким образом, способ может быть реализован только при наличии внешнего нагревателя.

Известен интерферометрический способ измерения теплопроводности для определения состава различных жидкостей и устройство для его осуществления (оптического датчика теплопроводности) [All-optical, all-fiber, thermal conductivity sensor for identification and characterization of fluids, Ziga Matjasec, Denis Donlagic, 2017]. Устройство оптического датчика теплопроводности для определения состава различных жидкостей представляет собой отрезок высокопоглощающего волокна (легированного ванадием), сформированного как интерферометр Фабри-Перо. Длина отрезка такого волокна составляла 25 мм, при этом один его торец был покрыт тонкой пленкой из диоксида циркония, а с другой стороны его соединяли с подводящим волокном, и на месте соединения методом сращивания и травления было сформировано внутриволоконное зеркало. Способ измерения заключается в том, что при прохождении излучения через высокопоглощающее волокно оно нагревалось, и путем обработки сигнала интерферометра выдавались соответствующие зависимости между изменением температуры (зависящим от теплопроводности исследуемого вещества) и полученным сигналом. Недостатком данного устройства является использование специализированных волокон, легированных ванадием, и дорогостоящего оборудования для нанесения тонких пленок на торец волокна. Одним из недостатков способа является использование структуры Фабри-Перо в качестве измерительного устройства, что требует сложных алгоритмов обработки сигнала и больших ресурсов с точки зрения электроники.

Известно устройство волоконно-оптического датчика потока жидкости, в котором описан способ, при котором в разных веществах выведение одной и той же мощности на используемой в работе горячей проволоки приводит к различному нагреву из-за разницы значений удельной теплоемкости [Highly sensitive miniature fluidic flowmeter based on an FBG heated by Co2+-doped fiber, Zhengyong Liu, Lin Htein, Lun-Kai Cheng, Quincy Martina, Rob Jansen, and Hwa-Yaw Tam, 2017]. В качестве «горячей проволоки» в данной работе используются короткие участки многомодовых волокон, легированных Co²⁺ (легирование позволяет волокнам поглощать оптическое излучение, что приводит к их нагреву), а в качестве измерителя – решетка Брэгга, записанная в одномодовом оптическом волокне. Конструкция датчика подразумевает одномодовое волокно с волоконной брэгговской решеткой (ВБР), окруженное 4 идентичными многомодовыми волокнами, легированными Co²⁺. Все 5 волокон были вставлены в трубку из нержавеющей стали с внутренним и внешним диаметром 380 мкм и 500 мкм соответственно. В работе данный чувствительный элемент используется для анализа скорости потока, но часть исследования демонстрирует разницу между нагревом различных веществ при одной и той же мощности излучения. При этом недостатком данной работы является, во-первых, отсутствие исследования применения подобной разработанной конструкции в качестве измерителя каких-либо тепловых характеристик веществ, а во-вторых, использование специализированных типов многомодовых волокон.

Известен способ определения теплопроводности путем использования устройства со специальными видами волоконных дифракционных структур [All-fiber sensor based on a metallic coated hybrid LPG-FBG structure for thermal characterization of materials Silva, G. E.; Caldas, P.; Santos, J. C.; Santos, J. L., 2014]. Устройство включает два оптических волокна, одно из которых содержит две волоконные решетки: одну длиннопериодную, другую – брэгговскую решетку, расположенные на расстоянии 5 мм друг от друга, а второе волокно содержит только одну ВБР. При этом ВБР в первом волокне используется для измерения температуры и окружена тонким слоем пленки титана, а длиннопериодная волоконная решетка (ДПВР) используется в качестве выводящего элемента для вывода излучения из сердцевины оптического волокна в оболочку, ВБР во втором волокне используется для фиксации температуры на фиксированном расстоянии от первого волокна с ВБР и ДПВР. Способ, по которому определяется тепловая характеристика (теплопроводность) в данной работе заключается в следующем. Излучение от широкополосного источника распространяется по первому волокну через передающее устройство, доходя сначала до ДПВР, на котором часть излучения выводится, что приводит к нагреву области с ВБР, окруженной тонким слоем пленки титана, а также к нагреву исследуемого образца вокруг ДПВР. Далее, отражаясь от ВБР, излучение через передающее устройство направляется на опрашивающее устройство, где фиксируется сдвиг длины волны брэгговского резонанса в результате нагрева излучением от ДПВР. Далее тепло от ДПВР доходит до области второго волокна с ВБР, подключенного к опрашивающему устройству, которое также регистрирует нагрев ВБР через фиксацию сдвига длины волны брэгговского резонанса. Таким образом, способ определения теплопроводности заключался в том, что по измеренным значениям температуры обеих решеток путём расчета определялась теплопроводность веществ. Один из недостатков конструкции заключается в том, что второе волокно должно располагаться всегда на одинаковом расстоянии от первого, таким образом, чтобы исследуемый образец был как вокруг чувствительного элемента в первом волокне, так и между областями ВБР в первом и втором волокнах. Также недостатками конструкции, накладывающим ограничения на реализацию описанного способа, является использование в работе одного волокна для выведения излучения и измерений с помощью ВБР, что приводит к следующим ограничениям. Первое – это уменьшение используемых для выведения мощностей, что может ограничивать применение таких устройств для веществ с высокой удельной теплоемкостью, либо потребует нанесения дополнительной изоляции, которая увеличит время отклика на изменяющиеся внешние условия (в работе приведены данные только для воздуха). Второй недостаток заключается в самой схеме работы при использовании одного волокна, так как подключение лазера накачки осуществляется не напрямую к оптически выводящему элементу, а через передающие устройства, которые также вносят потери в сигнал накачки. Также недостатком конструкции является необходимость обеспечения прямого контакта области ДПВР с исследуемым образцом, что ограничивает применение способа в условиях реальной эксплуатации. Ещё один значимый недостаток заключается в том, что в случае изменения температуры окружающей среды или приложенного давления, резонансная длина волны используемой для вывода излучения ДПВР будет сдвигаться, таким образом, выводимая мощность будет изменяться в зависимости от неравномерности спектра широкополосного источника излучения.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемым решениям является способ определения теплопроводности и, реализующее его, устройство со специальными видами волоконных дифракционных структур (Measurement Thermal Conductivity of Water using a All-Fiber Sensor Based on a Metallic Coated Hybrid LPG-FBG Structure, G. E.Silva, P. Caldas, J. L. Santos, and J. C. Santos, 2018). Устройство включает два оптических волокна, одно из которых содержит две волоконные решетки: одну длиннопериодную (ДПВР), другую – волоконную брэгговскую решетку, а второе волокно – ВБР. При этом ВБР в первом волокне используется для измерения температуры и окружена тонким слоем пленки титана, а длиннопериодная волоконная решетка используется в качестве выводящего элемента для вывода излучения из сердцевины оптического волокна в оболочку, при этом конец ДПВР находится на расстоянии 10 мм от начала пленки титана. ВБР во втором волокне используется для фиксации температуры на фиксированном расстоянии от первого волокна с ВБР и ДПВР. Способ определения тепловой характеристики (теплопроводности) заключался в следующем. Излучение от лазера накачки с длиной волны 1480 нм распространяется по первому волокну через передающее устройство, доходя сначала до ДПВР, на котором часть излучения выводится, что приводит к нагреву области с ВБР, окруженной тонким слоем пленки титана, а также к нагреву исследуемого образца вокруг ДПВР. Далее, отражаясь от ВБР, излучение через передающее устройство направляется на опрашивающее устройство, где фиксируется сдвиг длины волны брэгговского резонанса в результате нагрева излучением от ДПВР. Далее тепло от ДПВР доходит до области второго волокна с ВБР, подключенного к опрашивающему устройству, которое регистрирует нагрев ВБР через фиксацию сдвига длины волны брэгговского резонанса. При этом измерения, полученные в данной работе, свидетельствовали о слабом нагреве ВБР во втором волокне, в связи с чем, способ, описанный в работе, заключался в измерении длины волны брэгговского резонанса, полученной с первого волокна с ВБР, в разные моменты времени и последующий пересчёт полученных значений в температуру с дальнейшими расчётами теплопроводности.

Недостатком данной конструкции является использование в работе одного волокна как для выведения излучения, так и для измерений с помощью ВБР, что приводит к следующим ограничениям: во-первых, уменьшение используемых для выведения мощностей (что и связано с тем, что в описанной работе слабо прогревается ВБР во втором волокне), во-вторых, в схеме работы при использовании одного волокна для выведения излучения и для нагрева приводит к тому, что подключение лазера накачки осуществляется не напрямую к оптически выводящему элементу, а через передающие устройства, которые также вносят потери в сигнал накачки. Также недостатком конструкции является необходимость обеспечения прямого контакта области ДПВР с исследуемым образцом, что ограничивает применение способа в условиях реальной эксплуатации. Заключительным основным недостатком данного устройства является использование ДПВР в качестве выводящего элемента, т.к. её центральная длина волны зависит от температуры и давления окружающей среды, что при реализации данного способа требует постоянной перестройки длины волны лазера генерации накачки и стабильности его спектра по частоте, т.к. выводимая мощность будет меняться и расчёты теплопроводности также будут изменяться.

Данные изобретения решают задачу усовершенствования конструкции устройства измерения тепловых характеристик веществ (жидкостей и газов) за счет увеличения используемых мощностей для более эффективного нагрева чувствительного элемента, а также упрощение способа за счёт исключения необходимости перестройки лазера накачки и/или широкополосного источника излучения под резонансную длину волны выводящего элемента, что обеспечивает надежность и стабильность работы при изменяющихся внешних условиях.

Поставленная задача решается следующим образом.

Чувствительный элемент для определения тепловых характеристик веществ (жидкостей и газов) включает одномодовое оптическое волокно с ВБР, подключенное через передающее устройство к опрашивающему устройству и широкополосному источнику излучения, а также дополнительно содержит многомодовое оптическое волокно со сформированным волоконным выводящим элементом, представляющим собой оптоволоконный тейпер. Волокна расположены напротив друг друга, при этом область волоконного выводящего элемента тейпера совмещена с областью ВБР одномодового оптического волокна, а многомодовое оптическое волокно подключено к лазеру накачки и оба волокна жестко зафиксированы в полой трубке.

Кроме того, чувствительный элемент для определения тепловых характеристик веществ может содержать, по меньшей мере, второе многомодовое оптическое волокно со сформированным волоконным выводящим элементом (тейпером), соединенное с первым многомодовым волокном, при этом выводящие элементы многомодовых волокон совмещены друг с другом и с областью ВБР одномодового оптического волокна, далее волокна жестко фиксируются в полой трубке.

Способ определения тепловых характеристик веществ (жидкостей и газов), включает размещение в емкости, наполненной исследуемым веществом, волоконного чувствительного элемента (ЧЭ), включающего одномодовое оптическое волокно с ВБР и дополнительно содержащего многомодовое оптическое волокно со сформированным волоконным выводящим элементом, представляющим собой оптоволоконный тейпер. Нагрев ЧЭ и исследуемого вещества путем введения излучения лазера накачки в его многомодовое волокно и выведение его на сформированном волоконном выводящем элементе (тейпере), введение в волокно ЧЭ, со сформированной в нем ВБР излучения от широкополосного источника, регистрацию отраженного ВБР излучения и с помощью опрашивающего устройства фиксирование, возникающего в результате сдвига длины волны брэгговского резонанса, по которому по предварительно построенной зависимости определяют удельную теплоемкость исследуемого вещества.

Сущность заявляемых решений поясняется следующим.

Метод горячей проволоки для измерения тепловых характеристик заключается в использовании тонкой металлической нити, погруженной в исследуемый образец. В течение заранее установленного промежутка времени по металлической проволоке протекает электрический ток, что приводит как к нагреву самой проволоки, так и к нагреву исследуемого вещества вокруг неё. Тепло, генерируемое нагревателем, передается образцу в результате теплообмена, при этом температура в любой точке образца зависит от тепловых характеристик исследуемого вещества. Принимая, что нагреватель имеет бесконечную длину, температурный профиль зависит от расстояния до источника r (для малых значений r) и времени t, прошедшего после нагрева, при этом коэффициент теплопроводности выражается следующей формулой:

где – скорость тепловыделения на единицу длины, и температура в одной и той же точке на расстоянии r в моменты времени и соответственно.

Также к одним из стационарных методов измерения тепловых характеристик вещества относится импульсный метод: принцип его действия заключается в воздействии электрического/оптического импульса определенной энергии и скоростном прогреве образца. К тепловым характеристикам относятся температуропроводность, теплопроводность и удельная теплоемкость, которые связаны между собой следующим уравнением:

где – коэффициент температуропроводности, – плотность материала, – удельная теплоемкость.

В заявляемом решении был применен тот же принцип работы горячей проволоки и импульсного метода, в которых функцию металлической нити выполняет оптическое волокно. В качестве измерителя в заявляемом способе использовалась стандартная ВБР, принцип работы которой заключается в формировании участка оптического волокна с измененным показателем преломления, вызывающем в спектре пропускания узкую область отражения на длине волны брэгговского резонанса в соответствии с условием Брэгга:

где – длина волны брэгговского резонанса, – эффективный ПП сердцевины волокна для центральной длины волны, – период брэгговской решётки.

Предлагаемый волоконный чувствительный элемент (ЧЭ) для определения тепловых характеристик веществ (жидкостей и газов), а именно, удельной теплоемкости, состоит из двух оптических волокон, зафиксированных в полой трубке. В качестве выводящего элемента используется многомодовое оптическое волокно со сформированным волоконным выводящим элементом, представляющим собой оптоволоконный тейпер (волокно с областью перетяжки). Оптоволоконный тейпер представляет собой область оптического волокна, состоящую из трёх участков: в первом участке волокна - постепенное сужение его диаметра (конусная структура), далее - участок волокна с равномерно уменьшенным значением его диаметра, а третий участок волокна – с плавным увеличением диаметра до достижения стандартного размера волокна. Изменение геометрии волокна в области сужающейся части приводит к выводу излучения из сердцевины оптического волокна во внешнюю среду, при этом в работе используется многомодовое волокно, преимуществом которого является возможность работы с высокомощным излучением. Второе волокно чувствительного элемента используется в качестве измерителя и представляет собой одномодовое оптическое волокно со сформированной ВБР. Область выводящего элемента (тейпера) совмещена с областью ВБР одномодового оптического волокна, и оба волокна располагаются напротив друг друга и жестко фиксируются в полой трубке. Таким образом, фиксация всего ЧЭ в полой трубке позволяет использовать ЧЭ как механически более защищенное устройство в дополнительном корпусе (а именно полой трубке) без необходимости прямого контакта волокна с областью ДПВР с исследуемым образцом как указано в прототипе, а также обеспечивает более равномерный прогрев ВБР, что связано с тем, что, в отличие от прототипа, выводящий элемент и область ВБР расположены друг напротив друга.

Первое волокно ЧЭ напрямую (без передающих устройств) подключено к лазеру накачки, что позволяет исключить потери мощности на передающем устройстве. При этом используется многомодовое волокно, в котором используемые мощности могут быть в разы выше, чем мощности одномодового волокна (как в прототипе). Использование тейпера в качестве выводящего элемента исключает необходимость перестройки лазера накачки в зависимости от внешних условий ввиду того, что структура тейпера подразумевает изменение геометрии волокна, а не запись дифракционных структур (как в прототипе).

Волоконный чувствительный элемент для определения тепловых характеристик веществ может содержать, по меньшей мере, второе многомодовое оптическое волокно со сформированным волоконным выводящим элементом, представляющим собой оптоволоконный тейпер. Волокна с выводящими элементами (тейперами) необходимо соединить друг с другом, в таком случае увеличивается суммарная мощность выводимого оптического излучения, т.к. при использовании одного волокна часть излучения выходит из волокна (о чем можно судить, если на выходе поставить измеритель мощности), а такое соединение позволяет часть оставшейся мощности вывести из волновода на втором выводящем элементе (тейпере). Количество таких волокон может быть увеличено до достижения необходимой мощности выводимого излучения.

Второе волокно с ВБР через передающее устройство подключено к широкополосному источнику излучения и опрашивающему устройству.

Способ измерения заключается в том, что излучение от лазера накачки доходя до сформированного волоконного выводящего элемента, выводится на этом (этих) элементе(ах), нагревая таким образом сам чувствительный элемент (волокно с выводящим элементом, волокно с ВБР, полую трубку) и исследуемое вещество вокруг него. В зависимости от тепловых характеристик исследуемого образца тепло от полой трубки по-разному рассеивалось в образце, таким образом трубка охлаждалась по-разному, что приводило к смещению длины волны брэгговского резонанса на разное значение. При этом прямым воздействием излучения от выводящего элемента (тейпера) на волокно с ВБР можно пренебречь, так как оно во всех экспериментах было одинаково ввиду статичной конструкции чувствительного элемента. Таким образом, именно от тепловых характеристик исследуемого образца зависел сдвиг длины волны брэгговского резонанса и по анализу такого сдвига определялись тепловые характеристики, а именно, удельная теплоемкость.

По предварительно построенной зависимости удельной теплоемкости от сдвига длины волны брэгговского резонанса, который различен для веществ с различной теплоёмкостью, по зафиксированному сдвигу длины волны брэгговского резонанса определяют удельную теплоемкость исследуемого вещества.

Сущность заявляемого изобретения поясняется фиг. 1 (а), фиг. 1 (б), фиг. 2 (а), фиг. 2 (б), фиг. 3, фиг. 4.

На фиг. 1 (а) представлена схема волоконного чувствительного элемента для определения тепловых характеристик веществ.

Волоконный чувствительный элемент для определения тепловых характеристик веществ (жидкостей и газов), включает широкополосный источник излучения 1, соединенный с одномодовым оптическим волокном 2 с ВБР 3, соединенным через передающее устройство 4 с опрашивающим устройством 5. Второе оптическое волокно (многомодовое) 6 со сформированным волоконным выводящим элементом (оптоволоконным тейпером) 7, подключено напрямую к лазеру накачки 8. Волокна расположены напротив друг друга, при этом область волоконного выводящего элемента (оптоволоконного тейпера) 7 совмещена с областью ВБР одномодового оптического волокна 2 и оба волокна 2 и 6 жестко зафиксированы в полой трубке 9 с помощью фиксирующего соединения 10.

На фиг 1 (б) представлена возможная вариация реализации схемы 1 (а) с использованием второго многомодового волокна 11 с выводящим элементом (оптоволоконным тейпером) 7. При такой схеме работы концы многомодовых оптических волокон 6 и 11 должны быть соединены друг с другом.

На фиг. 2 (а) представлена схема чувствительного элемента, состоящего из одномодового оптического волокна 2 с ВБР 3 и многомодового оптического волокна 6 с выводящим элементом (оптоволоконным тейпером) 7. Область волокна 2 с ВБР 3 была совмещена с областью волокна 6 с выводящим элементом (оптоволоконным тейпером) 7 и жестко зафиксирована в полой трубке 9 с помощью фиксирующего соединения 10. Использование многомодового оптического волокна позволяет работать с более высокими мощностями проходящего излучения (по сравнению с одномодовым), что дает возможность увеличивать нагрев чувствительного элемента.

На фиг 2 (б) представлена возможная вариация чувствительного элемента 2 (а) с использованием второго многомодового волокна 11.

На фиг. 3 представлены измерения сдвига длины волны брэгговского резонанса для образцов с различными тепловыми характеристиками (удельной теплоемкостью). Для каждого образца было подано 4 импульса с частотой 0,2 Гц, длительностью импульса 1 с, результаты измерений представлены на фиг 3 для каждого образца.

На фиг. 4 представлена зависимость сдвига длины волны брэгговского резонанса от удельной теплоемкости веществ (жидкостей и газов). Экспериментальные данные были получены как среднее значение по 4 импульсам, представленным на фиг. 3. Для оптимального представления данных была построена аппроксимирующая кривая.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Излучение от широкополосного источника 1 распространяется по одномодовому оптическому волокну 2, проходя через передающее устройство 4, достигает ВБР 3. Отражаясь от сформированной дифракционной структуры (ВБР) 3, излучение распространяется в обратном направлении и через передающее устройство 4 направляется на опрашивающее устройство 5. Второе волокно (многомодовое) 6 с выводящим элементом (тейпером) 7, используемое для выведения оптического излучения из сердцевины волокна, подключено напрямую к лазеру накачки 8, с другой стороны волокно может быть подключено к измерителю мощности (для дополнительного контроля выводимой мощности), но такое подключение не является обязательным. Весь чувствительный элемент помещен в трубку 9 и жестко зафиксирован в ней с помощью фиксирующего соединения 10. При добавлении второго многомодового волокна 11 излучение лазера накачки 8, которое не вывелось на первом выводящем элементе, распространяется дальше по волокну, доходя до выводящего элемента 7 (тейпера) во втором многомодовом волокне.

В качестве конкретного примера осуществления предлагаемых решений предлагается следующее.

Для формирования нагревательного элемента многомодовое оптическое волокно ClearCurve 50/125 укладывалось в сварочный аппарат Fujikura FSM-100P, в котором создавался выводящий элемент (тейпер) c диаметром в самой узкой части порядка 15 мкм. Волокно подключалось к иттербиевому лазеру накачки с длиной волны излучения 1080 нм и выходным волокном Corning HI 1060, часть излучения от лазера выводилась в области выводящего элемента (тейпера), а оставшаяся часть проходила далее на оптический измеритель мощности Thorlabs S322C. В режиме непрерывного излучения по такому принципу на выводящем элементе (тейпере) выводилось излучение около 0,5 Вт. Измерение проходящей мощности с помощью измерителя является дополнительной процедурой для определения мощности выводимой на выводящем элементе (тейпере), при этом данная процедура не является обязательной. В данной работе использовался импульсный нагрев, длительность импульса составляла 1 с, генерация проходила с частотой 0,2 Гц.

Для записи волоконной брэгговской решетки в качестве источника излучения использовалась KrF эксимерная лазерная система MOPA CL-7550 (ООО «Оптосистемы») типа задающий генератор – усилитель (длина волны лазерного излучения – 248 нм), а сама запись осуществлялась с использование интерферометра Тальбота. Оптическое волокно с ВБР через передающее устройство (в данной работе, y-ответвитель) подключалось к опрашивающему устройству (в данной работе, интеррогатор) Ibsen Photonics и широкополосному эрбиевому суперлюминисцентному источнику излучения IRE-Polus. Излучение от широкополосного источника направлялось через передающее устройство (y-ответвитель) к ВБР, часть излучения проходила дальше, а часть, отражаясь, направлялась на опрашивающее устройство (интеррогатор), в котором фиксировалась центральная длина волны Брэгга.

После формирования описанных выше структур область выводящего элемента (тейпера) совмещается с областью с ВБР, которые располагаются друг напротив друга и далее оба волокна жестко фиксируются с помощью фиксирующего соединения, (в данной работе использовался клей), в полой (в данной работе стальной) трубке, внешний диаметр которой составляет 800 мкм (стальная трубка может быть заменена на полую трубку из другого материала, наиболее подходящего для решения конкретных задач). Оптоволоконный тейпер в наиболее узкой части имел диаметр порядка 15±5 мм, общая длина 7±4 мм, длина наиболее узкой области 2±1 мм. Также чувствительный элемент может дополняться вторым многомодовым оптическим волокном с выводящим элементом (тейпером), также размещаемым в стальной трубке. Волокна с выводящими элементами (тейперами) соединены друг с другом, например, с помощью сварки. Количество таких волокон может быть увеличено до достижения необходимой мощности выводимого излучения.

Для анализа использовались различные жидкости, удельная теплоемкость которых была предварительно измерена с помощью аналитического комплекса на базе дифференциальной сканирующей калориметрии теплового потока DSC 204 F1 Phoenix. NETZSCH-Geratebau GmbH. С использованием указанного оборудования были построены зависимости удельной теплоемкости анализируемых веществ от температуры с целью определения более точного значения удельной теплоемкости при проведении экспериментов с различными веществами.

Ниже представлен способ, по которому проводились эксперименты с определением удельной теплоемкости различных веществ (жидкостей и воздуха) с помощью предложенного в работе чувствительного элемента. В чаше Петри с диаметром 9 см и высотой 1,5 см, наполненной исследуемым веществом, закреплялся разработанный чувствительный элемент таким образом, чтобы его грани не касались граней чаши, при этом чувствительный элемент был полностью погружен в образец. Предварительно перед проведением экспериментов измерялась температура веществ для более точного получения значения удельной теплоемкости. По описанной выше схеме волокно с ВБР подключалось в качестве измерительного элемента к опрашивающему устройству (интеррогатору) и широкополосному источнику излучения, а оптическое волокно с выводящим элементом (тейпером) – к лазеру накачки. Далее лазер накачки генерировал импульс длительностью 1 с и излучение, выводимое в области выводящего элемента (тейпера), напрямую нагревало область второго волокна с ВБР, а также стальную трубку. В зависимости от тепловых характеристик исследуемого образца фиксировалось разное значение сдвига (смещения) длины волны брэгговского резонанса. По анализу такого сдвига определялись тепловые характеристики различных веществ (жидкостей и газов), а именно, удельная теплоемкость.

Эксперименты по измерению удельной теплоемкости проводились для образцов с шестью разными значениями удельной теплоемкости для диапазона от 1,0 до 4,2 кДж/(кг·ºC). В конкретное вещество с известным значением удельной теплоёмкости помещался чувствительный элемент, далее излучение от лазера накачки выводилось на выводящем элементе, что приводило к нагреву самого чувствительного элемента и исследуемого образца вокруг него. Генерация импульсов лазера накачки была с частотой 0,2 Гц, количество импульсов – 4, длительность импульса – 1 с при этом в качестве сдвига длины волны брэгговского резонанса была взята разница между максимальным значением длины волны брэгговского резонанса в момент подачи импульса и минимальным значением длины волны брэгговского резонанса, до которого охлаждался элемент перед подачей этого импульса. Исходя из полученных данных сдвига длины волны брэгговского резонанса в веществах с различной теплоемкостью, была построена зависимость такого сдвига от измеренных значений теплоемкостей.

Таким образом, заявленное изобретение является полностью волоконным чувствительным элементом, предназначенным для измерения тепловых характеристик различных веществ (жидкостей и газов). Волоконная конструкция элемента обеспечивает ряд значительных преимуществ: возможность стабильной работы в условиях электромагнитных помех, быстрый отклик на изменяющиеся условия, возможность использования в удаленных труднодоступных местах. Сама импульсная методика позволяет исследовать вещества, в которых постоянный нагрев может привести к непредсказуемым последствиям. Также предложенный способ подразумевает использование дополнительного многомодового волокна со структурой, формирование которой не требует использования дорогостоящего оборудования и/или специализированных волокон, что позволяет использовать данный способ измерения как относительно простой, надежный и стабильный способ определения тепловых характеристик различных жидкостей и газов. Дополнительным преимуществом заявленных решений при использовании многомодового волокна является возможность эксплуатации при высоких температурах, для этого необходимо подбирать специализированные клеевые составы и соответствующие защитные покрытия оптических волокон, а нагрев может осуществляться с использованием чувствительного элемента с несколькими многомодовыми волокнами, соединенными (сваренными) друг с другом.

Кроме того, относительно остальных устройств (например, стационарных калориметров), заявляемое решение обладает всеми преимуществами волоконно-оптических датчиков, такими как: компактность, быстрый отклик, устойчивость к электромагнитным помехам и коррозии, возможность измерения в удаленных и труднодоступных местах, стабильность и долгий срок службы.

Группа изобретений относится к измерительным волоконно-оптическим технологиям, в частности к определению тепловых характеристик веществ (жидкостей и газов), в частности их удельной теплоемкости. Волоконный чувствительный элемент для определения тепловых характеристик веществ (жидкостей и газов), а именно удельной теплоемкости, включает одномодовое оптическое волокно с волоконной брэгговской решеткой (ВБР) в качестве измерителя и по меньшей мере одно многомодовое оптическое волокно со сформированным волоконным выводящим элементом, представляющим собой оптоволоконный тейпер для нагрева ЧЭ и исследуемого образца вокруг него, при этом волокна расположены напротив друг друга, и область волоконного выводящего элемента (тейпера) совмещена с областью ВБР одномодового оптического волокна, и жестко зафиксированы в полой трубке. Технический результат - усовершенствование конструкции устройства измерения тепловых характеристик веществ, а также упрощение способа за счёт исключения необходимости перестройки лазера накачки и/или широкополосного источника излучения под резонансную длину волны выводящего элемента, что обеспечивает надежность и стабильность работы при изменяющихся внешних условиях. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ определения тепловых характеристик веществ: жидкостей и газов, включающий размещение в емкости, наполненной исследуемым веществом, волоконного чувствительного элемента (ЧЭ), введение в волокно ЧЭ излучения лазера накачки и нагрев этим излучением, выводимым на волоконном выводящем элементе, ЧЭ и исследуемого вещества, введение в волокно ЧЭ со сформированной в нем волоконной брэгговской решеткой (ВБР) излучения от широкополосного источника, регистрацию отраженного ВБР излучения и с помощью опрашивающего устройства фиксирование возникающего в результате сдвига длины волны брэгговского резонанса, по которому судят о тепловых характеристиках исследуемого вещества, отличающийся тем, что в емкости, наполненной исследуемым веществом, размещают волоконный чувствительный элемент (ЧЭ) по п. 2 или 3, нагрев ЧЭ и исследуемого вещества осуществляют путем введения излучения лазера накачки в его многомодовое волокно и выведение его на сформированном волоконном выводящем элементе, представляющим собой оптоволоконный тейпер, а используя зафиксированное значение сдвига длины волны брэгговского резонанса, по предварительно построенной зависимости определяют удельную теплоемкость исследуемого вещества.

2. Волоконный чувствительный элемент для определения тепловых характеристик веществ: жидкостей и газов, включающий одномодовое оптическое волокно с волоконной брэгговской решеткой (ВБР), подключенное через передающее устройство к опрашивающему устройству и широкополосному источнику излучения, отличающийся тем, что дополнительно содержит многомодовое оптическое волокно со сформированным волоконным выводящим элементом, представляющим собой оптоволоконный тейпер, волокна расположены напротив друг друга, при этом область оптоволоконного тейпера совмещена с областью ВБР одномодового оптического волокна, многомодовое оптическое волокно подключено к лазеру накачки, и оба волокна жестко зафиксированы в полой трубке.

3. Волоконный чувствительный элемент для определения тепловых характеристик веществ: жидкостей и газов, по п. 2, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере второе многомодовое оптическое волокно со сформированным волоконным выводящим элементом, представляющим собой оптоволоконный тейпер, при этом конец второго многомодового волокна соединен со свободным концом первого многомодового волокна, кроме того, выводящие элементы, а именно оптоволоконные тейперы первого и второго многомодовых волокон совмещены друг с другом и с областью ВБР одномодового оптического волокна, волокна расположены напротив друг друга и жестко зафиксированы в полой трубке.